Espectre d'absorció
El espectre d'absorció d'una matèria mostra la fracció de la radiació electromagnètica incident que un material absorbix dins d'un ranc de freqüèncias. És, en cert sentit, l'opost d'un espectre d'emissió. Cada element químic posseïx llínees d'absorció en algunes llongituts d'ona, fet que està associat a les diferències d'energia dels seus distints orbitales atòmics. De fet, s'ampra l'espectre d'absorció per a identificar els elements components d'algunes mostres, com líquits i gasés; més allà, es pot amprar per a determinar l'estructura de composts orgànics.[1] Un eixemple de les implicacions d'un espectre d'absorció és que aquell objecte que ho faça en els colors blau, vert i groc apareixerà de color roig quan incidixca sobre la llum blanca. Quan incidix una llum a un metal en superar la seua energia llindar trau un electró, si l'energia és superior l'energia que sobra es convertix en energia cinètica.
La espectroscòpia d'absorció s'ampra com una ferramenta de química analítica per a determinar la presència d'una substància en particular en una mostra i, en molts casos, per a quantificar la cantitat de substància present. l'espectroscòpia infrarroja i l'ultravioleta-visible són particularment comunes en aplicacions analítiques. L'espectroscòpia d'absorció també s'ampra en estudis de física molecular i atòmica, espectroscòpia astronòmica i teledetección.
Existix una àmplia gama d'enfocaments experimentals per a medir els espectres d'absorció. La disposició més comuna és dirigir un fes de radiació generat cap a una mostra i detectar l'intensitat de la radiació que passa a través d'ella. L'energia transmesa es pot utilisar per a calcular l'absorció. La font, la disposició de la mostra i la tècnica de detecció varien significativament segons el ranc de freqüència i el propòsit de l'experiment.
Els següents són els principals tipos d'espectroscòpia d'absorció:[2]
| Sr. No | Radiació electromagnètica | Spectroscopic type |
|---|---|---|
| 1 | Rajos X | Espectroscòpia d'absorció de rajos X |
| 2 | Ultravioleta–visible | Espectroscòpia d'absorció UV-vis |
| 3 | Infrarrojo | espectroscòpia d'absorció IR |
| 4 | Microones | Espectroscòpia d'absorció de microones |
| 5 | Ones de ràdio | Resonància paramagnética electrònica |
Espectre d'absorció
[editar | editar còdic]
L'espectre d'absorció d'un material és la fracció de radiació incident absorbida pel material en un ranc de freqüències de radiació electromagnètica. L'espectre d'absorció es determina principalment[3][4][5] per la composició atòmica i molecular del material. És més provable que la radiació s'absorbixca a freqüències que coincidixquen en la diferència d'energia entre dos estats mecànics quàntics de les molècules. L'absorció que es produïx per una transició entre dos estats es denomina llínea d'absorció i un espectre sol estar compost per moltes llínees.
Les freqüències a les que es produïxen les llínees d'absorció, aixina com les seues intensitat relatives, depenen principalment de l'electrònica i estructura molecular de la mostra. Les freqüències també dependran de les interaccions entre les molècules de la mostra, de la cristalina en els sòlits i de varis factors ambientals (per eixemple, temperatura, pressió, camp elèctric, camp magnètic). Les llínees també tindran un ample i forma que vénen determinats principalment per la densitat espectral o la densitat d'estats del sistema.
Teoria
[editar | editar còdic]Les llínees d'absorció es classifiquen típicament per la naturalea del canvi mecànic quàntic induït en la molècula o àtom. Les llínees de rotació, per eixemple, ocorren quan es canvia l'estat de rotació d'una molècula. Les llínees de rotació es troben típicament en la regió espectral de microonas. Les llínees vibratorias corresponen a canvis en l'estat vibratorio de la molècula i es troben típicament en la regió infrarroja. Les llínees electròniques corresponen a un canvi en l'estat electrònic d'un àtom o molècula i es troben típicament en la regió visible i ultravioleta. Les absorció de rajos X estan associades en l'excitació dels electrons de la capa interna en els àtoms. Estos canvis també es poden combinar (per eixemple, transicions de rotació-vibració), donant lloc a noves llínees d'absorció a l'energia combinada dels dos canvis.
L'energia associada en el canvi de la mecànica quàntica determina principalment la freqüència de la llínea d'absorció, pero la freqüència pot canviar per mig de varis tipos d'interaccions. Els camps elèctrics i magnètics poden provocar un canvi. Les interaccions en molècules veïnes poden provocar canvis. Per eixemple, les llínees d'absorció de la molècula en fase gaseosa poden canviar significativament quan eixa molècula està en una fase líquida o sòlida i interactua més fortament en molècules veïnes.
L'ample i la forma de les llínees d'absorció estan determinats per l'instrument utilisat per a l'observació, el material que absorbix la radiació i l'entorn físic d'eixe material. És comú que les llínees tinguen la forma d'una distribució gaussiana o lorentziana. També és comú que una llínea es descriga únicament per la seua intensitat i ample en lloc de caracterisar la forma completa.
L'intensitat integrada, obtinguda en integrar l'àrea baix de la llínea d'absorció, és proporcional a la cantitat de substància absorbent present. L'intensitat també està relacionada en la temperatura de la substància i l'interacció mecànica quàntica entre la radiació i l'absorbent. Esta interacció es quantifica pel moment de transició i depén de l'estat inferior particular des del que comença la transició i de l'estat superior al que està conectada.
L'ample de les llínees d'absorció pot ser determinat per l'espectrómetro utilisat per a registrar-ho. Un espectrómetro té un llímit inherent sobre quin tan estreta pot resoldre una llínea i, per lo tant, l'ample observat pot estar en este llímit. Si l'ample és major que el llímit de resolució, llavors està determinat principalment per l'entorn de l'absorbidor. Un absorbidor líquit o sòlit, en el que les molècules veïnes interactuen fortament entre sí, tendix a tindre llínees d'absorció més àmplies que un gas. L'aument de la temperatura o la pressió del material absorbent també tendirà a aumentar l'ample de la llínea. També és comú que vàries transicions veïnes estiguen lo suficientment prop entre sí com per a que les seues llínees se superponguen i, per lo tant, la llínea general resultant siga encara més àmplia.
Relació en l'espectre de transmissió
[editar | editar còdic]Els espectres d'absorció i transmissió representen informació equivalent i un pot calcular-se a partir de l'atre per mig d'una transformació matemàtica. Un espectre de transmissió tindrà les seues intensitat màximes en les llongituts d'ona a on l'absorció és més dèbil perque es transmet més llum a través de la mostra. Un espectre d'absorció tindrà les seues intensitat màximes en les llongituts d'ona a on l'absorció és més forta.
Relació en l'espectre d'emissió
[editar | editar còdic]
l'emissió és un procés pel qual una substància llibera energia en forma de radiació electromagnètica. L'emissió pot produir-se a qualsevol freqüència a la que puga produir-se l'absorció, lo que permet determinar les llínees d'absorció a partir d'un espectre d'emissió. No obstant, l'espectre d'emissió sol tindre un patró d'intensitat prou diferent al de l'espectre d'absorció, per lo que abdós no són equivalents. L'espectre d'absorció pot calcular-se a partir de l'espectre d'emissió utilisant coeficients d'Einstein.
Relació en els espectres de dispersió i reflexió
[editar | editar còdic]Els espectres de dispersió i reflexió d'un material estan influïts tant pel seu índex de refracció com pel seu espectre d'absorció. En un context òptic, l'espectre d'absorció es quantifica típicament pel coeficient d'extinció, i els coeficients d'extinció i índex estan cuantitativamente relacionats a través de les relacions de Kramers-Kronig. Per lo tant, l'espectre d'absorció pot derivar-se d'un espectre de dispersió o reflexió. Açò sol requerir suposts o models simplificadores, per lo que l'espectre d'absorció derivat és una aproximació.
Usos
[editar | editar còdic]
L'espectroscòpia d'absorció és útil en l'anàlisis químic[6] per la seua especificidad i la seua naturalea quantitativa. La especificidad dels espectres d'absorció permet que els composts es distinguixquen entre sí en una mescla, lo que fa que l'espectroscòpia d'absorció siga útil en una àmplia varietat d'aplicacions. Per eixemple, els analisadors de gasos infrarrojos es poden utilisar per a identificar la presència de contaminants en l'aire, distinguint el contaminant del nitrogen, oxigen, aigua i atres components esperats.[7]
La especificidad també permet identificar mostres desconegudes comparant un espectre medit en una biblioteca d'espectres de referència. En molts casos, és possible determinar informació qualitativa sobre una mostra inclús si no està en una biblioteca. Els espectres infrarrojos, per eixemple, tenen bandes d'absorció característiques que indiquen si estan presents enllaces carbono-hidrogen o carbono-oxigen.
Un espectre d'absorció es pot relacionar cuantitativamente en la cantitat de material present usant la llei de Beer-Lambert. La determinació de la concentració absoluta d'un compost requerix el coneiximent del coeficient d'absorció del compost. El coeficient d'absorció d'alguns composts està disponible en fonts de referència i també es pot determinar medint l'espectre d'un estàndart de calibración en una concentració coneguda de l'objectiu.
Teledetección
[editar | editar còdic]Una de les ventages úniques de l'espectroscòpia com a tècnica analítica és que es poden realisar medicions sense que l'instrument i la mostra entren en contacte. La radiació que viaja entre una mostra i un instrument contindrà l'informació espectral, per lo que la medició es pot realisar de forma remota. La detecció espectral remota és valiosa en moltes situacions. Per eixemple, les medicions es poden realisar en entorns tòxics o perillosos sense posar en risc a un operador o instrument. Ademés, el material de la mostra no té que posar-se en contacte en l'instrument, evitant una possible contaminació creuada.
Les medicions espectrals remotes presenten varis desafius en comparació a les medicions de laboratori. L'espai entre la mostra d'interés i l'instrument també pot tindre absorció espectrals. Estes absorció poden emmaixquerar o confondre l'espectre d'absorció de la mostra. Estes interferències de fondo també poden variar en el temps. La font de radiació en les medicions remotes és a sovint una font ambiental, com la llum solar o la radiació tèrmica d'un objecte càlit, i açò fa necessari distinguir l'absorció espectral dels canvis en l'espectre de la font.
Per a simplificar estos desafius, l'espectroscòpia d'absorció òptica diferencial ha guanyat certa popularitat, ya que se centra en les característiques d'absorció diferencial i omet l'absorció de banda ampla, com l'extinció d'aerosols i l'extinció per la dispersió de Rayleigh. Este método s'aplica a medicions terrestres, aérees i satelitales. Alguns métodos terrestres oferixen la possibilitat de recuperar perfils de gasos traça estratosféricos i troposfèrics.
Astronomia
[editar | editar còdic]Espectre d'absorció observat pel telescopi espacial Hubble
L'espectroscòpia astronòmica és un tipo particularment significatiu de detecció espectral remota. En este cas, els objectes i mostres d'interés estan tan llunt de la terra que la radiació electromagnètica és l'únic mig disponible per a medir-los. Els espectres astronòmics contenen informació espectral d'emissió i absorció. L'espectroscòpia d'absorció ha segut particularment important per a comprendre els núvols interestelares i determinar que algunes d'elles contenen molècules . L'espectroscòpia d'absorció també s'ampra en l'estudi de planetes extrasolars. La detecció de planetes extrasolars pel método de trànsit també medix el seu espectre d'absorció i permet la determinació de la composició atmosfèrica del planeta, [7] temperatura, pressió i altura d'escala, i per lo tant permet també la determinació de la massa del planeta. [8]
Física atòmica i molecular
[editar | editar còdic]Els models teòrics, principalment els models de mecànica quàntica permeten relacionar els espectres d'absorció d'àtoms i molècules en atres propietats físiques com l'estructura electrònica, la massa atòmica o molecular i la geometria molecular. Per lo tant, les medicions de l'espectre d'absorció s'utilisen per a determinar estes atres propietats. L'espectroscòpia de microones, per eixemple, permet la determinació de llongituts i ànguls d'enllaç en alta precisió.
Ademés, les medicions espectrals es poden utilisar per a determinar la precisió de les prediccions teòriques. Per eixemple, no s'esperava que existira el desplaçament de Lamb medit en l'espectre d'absorció atòmica d'hidrogen en el moment en que es va medir. El seu descobriment va estimular i guio el desenroll de l'electrodinàmica quàntica, i ara s'utilisen mides del desplaçament de Lamb per a determinar la constant d'estructura fina.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
- ↑ Kumar, Pranav (2018). Fundamentals and Techniques of Biophysics and Molecular biology, New Delhi: Pathfinder publication, p. 33. ISBN 978-93-80473-15-4.
- ↑ Modern Spectroscopy (Paperback) by J. Michael Hollas ISBN 978-0-470-84416-8
- ↑ Symmetry and Spectroscopy: An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy (Rústica) de Daniel C. Harris, Michael D. Bertolucci ISBN 978-0-486-66144-5
- ↑ Spectra of Atoms and Molecules de Peter F. Bernath ISBN 978-0-19-517759-6
- ↑ James D. Engonal Jr. and Stanley R. Crouch, Spectrochemical Analysis, Prentice Hall, 1988, ISBN 0-13-826876-2
- ↑ «Gaseous Pollutants – Fourier Transform Infrared Spectroscopy».
- Este artícul conté una traducció derivada de «Espectro de absorción» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.